有关IEEE 802.11p 的介质访问控制子层在车载网络的研究外文翻译资料

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有关IEEE 802.11p 的介质访问控制子层在车载网络的研究

韩冲，IEEE学生成员，Mehrdad Dianati，IEEE成员，IEEE, Rahim Tafazolli，高级会员，Ralf Kernchen和沈学民，IEEE研究员

摘要---本文基于IEEE 802.11p 介质访问控制子层的机理提出了一个关于增强型分布式信道介入吞吐量的分析模型。EDCA中的特点，例如不同竞争窗口（CW)、每个访问类别（AC）的仲裁帧间间隔(AIFS）和内部的冲突都被列在考虑范围之内。这个分析模型同时适用于基础通道和请求发送/清除发送（RTS/CTS)通道模式。不同于大多数现有的三维或四维马尔可夫链的IEEE 802.11e EDCA分析模型，没有复杂的计算，该模型明确可适用于IEEE 802.11p交通的四种访问类别。该模型可以用于大型网络分析和饱和交通条件下的网络模拟器确认。模拟的结果将被用来证明分析模型的精确性。总之，我们研究了IEEE 802.11p的MAC子层的差异化服务能力。

索引关键词--IEEE 802.11p，性能表现分析，车载ad-hoc网络

1. 介绍

现代智能交通系统（ITSS）致力于用信息和通信技术（ICT）来提高质量、效率，以及未来交通系统的安全。由此我们可以预见，先进技术的部署将有助于有效管理城市交通，提高公路和道路的安全性。另外，通过宽带网络会促使更多信息娱乐应用程序的出现，而这估计会彻底改变乘客和司机的体验质量。交通工具对交通工具（V2V)，它也被称为车对车（C2C）或车辆间通信（IVC）。车辆到基础设施（V2I）通信，也被称为路边车辆通信（RVC），这两者是ITS技术的关键组成成分。

IVCS靠个人车辆的直接联系，可以使一大类道路安全和交通效率的应用程序之间的直接通信（例如，避免碰撞，同行帮助、电子收费系统、智能停车场，并–队列），而RVC系统仅依靠车辆之间通信设施和固定路边基础设施。车载通信系统（HVC）通过提高通信的范围和他们的功能，来提高RVC系统的范围和功能。

HVC系统定义了特殊的混合通信的情况下，由特设的基础设施支持的通信模式是可能的。这一事实表明，分布式介质访问控制（MAC）方案如IEEE 802.11x系列可以作为HVC系统MAC子层的合适候选。然而，快速变化的网络拓扑结构，HVC系统传播环境的特点，以及在网络中具体应用的要求可能不同于传统网络，需要依靠现有的MAC子层。因此，IEEE 802.11p的提出已经在汽车外环境无线接入。

IEEE 802.11p采用了在增强的分布式信道接入（EDCA）的基础上，对传输参数进行一些修改的IEEE 802.11e MAC子层协议设计。IEEE 802.11p的物理层类似于IEEE 802.11a标准。IEEE 802.11p支持的传输速率范围从3到27 MB / s（有效载荷）超过了10 MHz带宽，这是802.11a带宽的一半。IEEE 802.11p旨在提供1000米范围内的V2V和V2I的通信，并且满足于在各种环境（例如，城市，郊区，农村，和高速公路）下与高达30米/秒的速度相对车辆的对接。考虑到快速移动的车辆Ad-hoc网络（VANETs）频繁的变化轨迹，在MAC子层，频繁的交接和授权应限于减少高概率的连接断开。考虑到车载的独特之处，低延迟和高可靠性的是安全相关软件的必然要求，于此同时，高吞吐量、低丢包率、高效的资源利用率和大众的车辆都被信息娱乐应用所要求。因此，不同的服务质量（QoS）指标应考虑其应用相应的类。此外，可用的位置信息可以帮助降低高的共享信道上的碰撞率。在IEEE 802.11p的解析建模应该揭示VANETs MAC子层的性能和不足，并由此为VANETs提供一个合适的设计方案。

IEEE 802.11p的MAC子层的性能分析是一个重要和具有挑战性的问题，而且已经在最近的一些出版物上进行了部分的调查。一种用于比较相对速度下802.11p和802.11a的丢包率的仿真模型已经被放弃了。仿真结果表明，802.11p优于802.11a在一个典型的车载环境的数据包丢失。在[ 12 ]和[ 13 ]，仿真研究了IEEE 802.11p的MAC子层的性能，并给出了结果。这些论文给出了在特别的模拟场景下，模拟研究的总吞吐量，平均延迟，和数据包由于碰撞的丢失情况。

还有一些相关的出版物，也在考虑IEEE 802.11e的MAC子层的分析建模。第二节提供有关刊物的全面调查。就像我们在这里讨论的，当有两个以上的ACS的时候，现有的802.11e的分析模型往往在学习MAC的子层方面望而却步。针对这些缺点，我们提出了一个易处理的分析模型，这个分析模型被用于定制IEEE 802.11p的标准MAC层EDCA机制。该模型扩展了马尔可夫链分析，同时考虑了802.11p标准的准确规格。本文中生成的2-D马尔可夫链模型的退避过程为每个访问类别（AC）队列。不同的CW、每个交流的仲裁帧间间隔（AIFS）和内部的冲突都被列在了考虑范围之内。时隙被划分成不同的区域导出的传输概率和碰撞概率之间的关系。最后，每个AC的吞吐量的精确模型就被导出了。基础的和RTS/CTS通道模式在本文中都涉及。该模型对仿真结果进行验证，以证明其准确性。此外，802.11 MAC子层的服务分化性能正在进一步的研究之中。最后，由于站的数量相对较高时存在比较高的竞争，所以我们用我们的验证仿真模型研究的802.11p MAC子层的性能退化行为。

本文的其余部分组织如下：在第二节中，提供了相关的出版物的全面调查，并提出了研究的动机。在第三节中，详细阐述了包括IEEE 802.11p的相关方面的系统模型。第四，提出了EDCA在IEEE 802.11p的MAC子层的吞吐量分析模型。第五节，通过比较分析和仿真结果，验证了该模型的准确性。该部分还使用的我们的验证仿真模型对802.11p的性能表现做了进一步的研究。第六节给出了总结和结束语。

II.相关工作和动机

最近的一些出版物已考虑在IEEE 802.11e EDCA分析模型。本节的目的是讨论现有出版物的主要贡献，并突出本文的差异和贡献。

在一些作品中发现了预测吞吐量精度低，在[ 23 ]和[ 24 ]，作者提出了延迟模型，同时预测了这个通量。然而，正如作者所说，与仿真结果对比，该模型在半饱和部分的吞吐量预测并不是非常的准确。在[25]和[26]中也提出了替代分析模型，然而，这些文件不考虑内部碰撞问题。我们的研究表明，省略内部碰撞将导致不准确的传输概率的计算。在[26]中鲁滨孙和兰德哈瓦提出了一个分析模型，利用焦点区的概念，只考虑两ACS不考虑内部碰撞。参考书目[27]也提出了相似的概念，[ 26 ]提出另一个模型，也考虑内部碰撞。在[28]中的克里夫也提出了另外一个考虑有两个ACS的模型。这些作品的缺点是，他们可以很容易地扩展到考虑四ACS，而这正好是802.11p的主要规格。不同于这些文件，本文提出的模型认为四ACS，在标准中指定的。在[29]-[35]中存在另一个家庭模型，该模型考虑了在每站四ACS在IEEE 802.11e的建模。然而，这些3-D马尔可夫链为基础的分析模型为不同ACS的传输计算带来了无法避免的复杂度。这些模型已经验证了带有两个ACs的场景。然而，复杂的解决方案的情况下，四ACS是望而却步。因此，据我们所知，现有的文件只能验证只有两个ACS的这些模型。例如，空等在[30]中提出了一个3-D离散时间马尔可夫链模型的多个ACS每个站的退避过程模型。然而，由于计算的复杂性，该模型是最后只用了两个ACS（即Ac1和Ac3）。类似的缺点存在于工程[ 31 ] - [ 35 ]之中。在[ 36 ]中，一个2-D马尔可夫链被提出用于模型中的每个AC站。仿真结果表明，该模型是有效的四个访问类别的通信。然而，在马尔可夫提出的链，P钛变量（即概率，退避计数器可以降低一个访问类）被在AIFS [i]”和“后AIFS [i]约束下的其他变量所代表。这使得计算的TI的实现是不可能的，因为退避定时器在每一次都是随机选择的。因此，我们认为，不同的ACS的关键传输概率不能被我们所得到。在[37]中，徐等人提出了IEEE 802.11e EDCA接入时延模型的一个稳定结果。然而，在本文中并没有得到一个不带吞吐量的模型。

我们的论文相对于现有出版物的贡献可以概括如下：我们的工作旨在提出一个在饱和交通情况下IEEE 802.11p的MAC子层的分析模型，该模型考虑了不同ACs的CW和AIFS和内部冲突的解决机制。在建模中，避免了不稳定因素，以确保我们的模型的准确性。四ACS被认为是整个分析的建模和确认，并在IEEE 802.11p的所欲ACS提供了充分的支持。此外，该模型是相对简单的，能明确解决所有四ACS的验证。该模型可用于大规模场景的分析，或为不同的网络模拟器实现IEEE 802.11p的验证。

III. SYSTEM MODEL

在本节中将主要讨论IEEE 802.11p的主要规格和IEEE 802.11a中的类似标准的区别，同时在本文的分析中我们将专注于物理（PHY）和MAC子层方面。

A. 802.11p中的物理层方面

IEEE 802.11p的PHY层是类似于IEEE 802.11a，因为他的工作效率是5.9 GHz的，而这与802.11a的5GHz是非常接近的。802.11p的高速物理层采用了类似于802.11a的正交频分复用传输技术。然而802.11p

的高速单通道带宽相比于802.11a缩小了10MHz。这是考虑到HVC系统中传播环境的特点。不同于传统的节点速度相对较低无线局域网的应用，在车辆通信环境中，节点的相对速度可能会显着更高。因此当信号带宽变高的时候，多个路径的延迟传播可能会显着更高，这可能会加剧符号间干扰。所以，对于车辆来说一个10 MHz带宽是一个合理的选择。

B. 802.11p中的MAC子层

在IEEE802.11e中的EDCA是专门用来满足基于竞争优先级的QoS支持。EDCA机制定义了四个ACS，为优先级的数据业务提供支持。每个AC队列作为一种独立的具有增强的分布式信道接入功能（EDCAF）的DCF站（STA）都可以使用自己的EDCA参数，争夺传输机会（TXOP）。图1显示了在每个STA的优先级机制，在那里为了满足不同交通种类的需要，设立了4个传输队列和4个独立的EDCAFs。每个AC的AIFS值都用AIFS[AC]表示，每个AC队列采用不同的AIFS，CWmin，和CWmax。

EDCA的传输优先级是通过一个新的帧间空间（IFS）实现的。即AIFS。这可以被视为在DCF退避过程的延伸。就像图2中展示的，排除传统的短帧间间隔（SIFS）， PCF IFS (PIFS), and DCF IFS (DIFS)以外，对EDCA中的不同的ACS新的AIFS值进行了介绍。AIFS[AC]的持续时间是从AIFSN[AC]中分离出来表示的，而这个参数的确定则是从每个MAC协议在EDCA参数表中的AIFSN[AC]值相联系。

AIFS[AC] = AIFSN[AC] times; aSlotT ime aSIFSTime (1)

aSlotT ime指的是SIFS的时间间隔，aSI FSTime指的是SIFS的时间长度。不同的ACS配置不同的AIFSNs。

一个较小的AIFS的AC具有更高的优先级接入信道。此外，不同的CWmin和CWmax大小分配给不同的ACS。分配更短的CW大小到更高优先级的AC可以确保更高优先级的AC比一个较低的优先级AC有更高的机会访问信道。

在表1中显示了默认的EDCA参数站操作设置。根据802.11p的[ 16 ]的标准草案的最新版本，CWmin是15，和CWmax 1023。

每个站有四个交流队列作为四个独立的站。如果在AIFS[x]的持续时间里检测到空闲，而且ACX队列有积压的数据传输EDCAF的退避定时器将会被检查。否则，该EDCAF要尝试启动一个传输序列。如果有一个非零的值，EDCAF应当减少退避计时器。然而由于每个站有4个EDCAF,所以就有一定的可能性使得有一个以上的AC队列在同一时间启动传输序列。因此，在一个单一的STA中可能发生碰撞。在STAs中的调度程序可以通过先使EDCF---TXOP升到最高的优先级从而避免这种内在的冲突。同时，由于内部碰撞行为，其他碰撞ACS将调用退避过程，就好像有一个无线介质的外部碰撞发生。但是，STA在内部冲突的低优先级队列的MAC中没有设置重试位。当一个AC被不同的STAs所承认的时候外部的碰撞就不可避免的发生了。由于STA中没有优先级，站与站之间都有同样的机会去竞争信号通道。发生碰撞的帧将被延迟，并且调用退避过程。

IV. 分析模型

在本节中，一个2-D马尔可夫链被用来模拟每个AC队列的退避过程。在这个部分我们只考虑饱和的饱和的情况。因为它有助于验证模拟器的精度，同时降低计算复杂度。非饱和部分的情况更加适用，我们将在第5部分对其进行分析。在这一部分中，首先通过分析马尔可夫链得到每个AC队列的传输概率。在退避过程中，时隙被分为不同的区域对应于不同的争用期，关于这一部分将稍后解释。然后，每个AC队列的碰撞概率表示为传输概率的函数，并计算不同的ACS的传输概率。最后，导出每个AC的吞吐量的精确模型。在该模型中考虑到了基本和RTS / CTS接入模式。在所提出的分析模型，考虑到了AIFS，连续不同的ACS，和在每个站的内部碰撞。我们推导的细节如下：该分析模型的建立是基于马尔可夫链分析[ 18 ]。他的目标是为了分析MAC子层的性能。因此，一般没有损失，由于信道错误的数据包的损失被排除在外。表二展

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